为AR眼镜等多种智能可穿戴设备添加穿戴状态检测功能（中）

3.4 传感盘大小与接近检测距离的对比

Acrylic：亚克力

FPC：柔性电路板

Measured Distance：测量距离

Copper plate (floating)：铜板（悬空）

Tape+insulation：隔离绝缘带

图3.5 用于调整接近触发器距离测量的测试设置（类似于可穿戴设备应用场景）

表3.1 测试用例检测传感盘的大小和布局，并获得最终的接近距离数据

Length：长度

Width：宽度

Pro Distance：接近距离

Result：结果

Picture：图片

Test Case：测试用例

3.5 放置位置和覆盖范围

在健身手环的案例中：两个独立的电极为不同的使用者在佩戴这种设备时，提供了更大的覆盖不同体型和松紧度的范围。

以健身手环为例，由于FPC/PCB上用于穿戴状态检测的空间有限，健身手环可以通过将传感器设计打印到塑料机身上而显著受益。这解决了覆盖问题，同时也是最稳定的传感器材料选择。选择这种工艺还可以将蓝牙和NFC天线集成到塑料外壳中。 

图3.7 在塑料件上放置天线图案的示例

3.6 材料

电容式传感器的电路和基底材料特性会有很大的不同。电容式传感器导体和PCB/FPC基底类型包括铜带、塑料上的印刷油墨、传统的FR4、FPC变体和简单的绝缘线。以下是电容式传感器使用材料的常用示例清单。

表3.2 典型的基底材料和用作各种传感器导体的载体适用性

Material：材料

Parasitic load susceptibility：寄生负载敏感性

Temperature stability：温度稳定性

Insulated wire：绝缘电线

Co-axial (PTFE dielectric)：同轴（聚四氟乙烯电介质）

Printed ink (on ABS) Or LDS technology：印刷油墨（ABS）或LDS技术

PI (Kapton)：PI（聚酰亚胺薄膜）

3.7 温度 

长时间穿戴状态检测下，传递到诸如智能手表、健身追踪器等可穿戴设备和长时间保持身体密切接触的耳机上的身体热量会影响电容式传感器测量值。

>与人的皮肤、耳朵或头部直接/间接接触的电极首先会被加热，比系统设计中的其他部分更重要。

>传递给传感器IC和感测电极的差分变化值不能仅用内部补偿方法来解释，还需要外部参考信道。

>基底材料的热力学特性起着重要的作用，其影响在薄型FPC设计中最为显著。

有关此主题的详细讨论，请参阅下一节。

3.8 防水能力

大多数可穿戴设备都具有复杂的机械设计，提供了可以密闭包裹电子部件的外壳，以实现防止或者阻挡水侵。 

图3.8 存在保水性风险的超声焊接

Water retention point：保水点

Outside product：外部产品

Inside product：内部产品

>模具注塑外壳的连接处有可能存在接缝、缝隙、空腔和连接点，因而仍然可能保留外壳外的水分。如果这种水分位于或者在电容传感器附近或顶部被采集到，它将显著影响电容传感器的数值和性能。这可能导致不正确的穿戴状态检测结果。

>由于湿度、冷凝和蒸发引起的环境条件变化有时会导致不准确的穿戴状态检测/读出状态。建议在早期设计阶段进行测试，以确定问题区域。

3.9 水分

如果一款设计非常容易受到湿度变化的影响，或者对于一般针对不防水的设备，请参阅下一节讨论基底材料和吸湿影响。

例如，在耳罩中带有传感盘的头戴式耳机会增加受潮风险。在佩戴过程中，水分增加和水分保留通常会导致从头部移除耳机时，出现释放检测失败或显著延迟释放。

通过在对水分敏感区域的背面使用对水分不敏感的材料，如塑料印刷传感盘（LDS），即可避免这些影响。

4.1 长度和面积

当传感器线路需要从芯片（IC）布线走到预期的传感盘/区域时，就需要适当的连接设计。请注意以下事项：

图4.1 传感线路走线较长会使设计复杂化并限制性能，而走线较短则会简化设计并优化性能

Sensing pads：传感盘

Long FPC trace：长FPC走线

Sensor IC：传感器芯片

>更长的走线更容易受到各种形式的干扰。

>由于温度和湿度的变化，更容易给面积更大的方案带来显著的电容值变化。

>小心堆叠区域/多层PCB及薄FPC等分层区域。

>当参考其他导体/电位时，机械干扰就会改变信号。

4.2 地面效果和材料选择

诸如传感器走线/线路等连接设计会对传感器中的寄生电容产生很大影响。

两个或更多个导体之间的基板具有比同一层或单层PCB中的导体更大的寄生电容（Cp），上面有其他材料层，或如阻焊膜、塑料外壳等接触。

表4.1 单层与相互重叠的多层走线——平面耦合

Single layer copper recommended for sensor connections：推荐使用单层铜PCB来连接传感器

GND plane not recommended for sensor connections：不建议传感器连接采用接地（GND）平面

用第一原理来确定平行板电容器模拟值（Cx - GND）：

图4.2 平行板电容器参数

>εr：相对介电常数（无单位）

>ε0：空气介电常数= 8.854 × 10-12 F/m

>A：极板面积（m2）

>d：极板间分隔距离（m）

表4.2 以1mm²面积的双面平行板为例，观察到的常用印刷电路基底材料及其寄生电容贡献的典型范围

4.3 干扰因素

表4.3 平行共面与正交非共面走线交叉与耦合

传感器连接必须屏蔽PCB走线耦合。

这适用于其他带开关信号的走线，或线路的直流电压会在某一点发生变化的走线，如GPIO/LED类型信号

传感器连接必须避免穿越其他线路（在不同的布线层上），信号可能会切换或改变电压值。

如果无法避免，建议采用90度交叉，以尽量减少耦合面积。

建议使用最小走线厚度，以减少平行交叉面积。

4.4 吸湿性

当基板吸收了水分以后，就增加了材料的介电常数（εr），这转化为任何平行导电传感器板的寄生电容（Cp）的增加。

裸露的、未涂覆的层压板与涂有阻焊膜的板相比，具有更高的吸湿率。

表4.4 常用PCB/FPC衬底的典型吸水率

Substrate material：基底材料

Water absorption rate：吸水率

Relative dielectric change：相对介电质系数变化

根据经验，当PCB没有被封装在外壳中，而耳罩将用户的耳朵包裹起来时，湿气会对耳罩式耳机产生影响，并将微湿/潮湿的空气与体温升高相结合。

然而，湿度的存在仍然会影响电容式传感器的测量，即使使用适当的基底材料和具有低吸湿特性的外壳。对于相对湿度含量的变化，用户与传感器板之间的空隙的外部变化仍然可以动态变化。下图显示了一个例子，说明湿度会产生多么剧烈的影响。

图4.3 基于VOPcPho的Al/VOPcPho/Au电容式传感器的电容与相对湿度的关系[p